朱 旭 王子影 張 宇

(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

紅外傳感器用于斷層氣體測(cè)量*

朱 旭 王子影 張 宇

(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

介紹新型紅外氣體觀測(cè)儀的結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)指標(biāo)、優(yōu)缺點(diǎn)以及解決其不足之處的方法;通過(guò)分析紅外氣體觀測(cè)儀在臺(tái)站試驗(yàn)中取得的觀測(cè)數(shù)據(jù)，探索出一種將紅外氣體傳感技術(shù)應(yīng)用于斷層氣觀測(cè)的新方法。

紅外傳感器;斷層氣;二氧化碳;甲烷;地震前兆

1 引言

地球內(nèi)部存在著巨量的氣體。地殼的一些薄弱部位，如斷裂帶、火山、洋脊地帶，則是地下氣體集中逸出帶。在大陸上，地殼排氣現(xiàn)象常見(jiàn)于斷裂帶上，特別是在活動(dòng)的深大斷裂帶上［1］。這種與斷層活動(dòng)有關(guān)的從斷層散發(fā)出來(lái)的氣體稱(chēng)為斷層氣。它包括從斷層逸出到上方土壤中形成的氣暈和沿?cái)鄬臃植嫉娜?、地下水中多種逸出氣、溶解氣［2］。斷層氣體監(jiān)測(cè)作為捕捉地震前兆的一個(gè)重要手段，在地震短期預(yù)測(cè)中能夠發(fā)揮重要作用。

蘇聯(lián)自1966年塔什干地震之后開(kāi)展了這方面的研究工作。他們?cè)谥衼啞⑦h(yuǎn)東等地建立了試驗(yàn)場(chǎng)，開(kāi)展了多種組分的觀測(cè)和研究，并取得了幾次較好的震例;日本自1973年在東海、伊豆半島等地布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，獲得了1978年伊豆半島7.0級(jí)地震和1995年阪神7.2級(jí)地震水化變化的震例;1998年，Ciotoli等［3］在意大利富希納盆地進(jìn)行的斷層氣探測(cè)結(jié)果表明，在1915年曾發(fā)生過(guò)7.0級(jí)地震的斷裂帶上同步顯示出He、CH4、CO2的異常峰值。

1976年，唐山7.8級(jí)地震前，在天津棉4井觀測(cè)到二氧化碳日總量出現(xiàn)異常增高［4］，地震后，在發(fā)震斷裂上進(jìn)行了CO2和H2探測(cè)，測(cè)線(xiàn)布設(shè)在唐山市以南的鄭家莊和禮尚莊，均跨越地震破裂帶，探測(cè)結(jié)果表明，無(wú)論CO2還是H2，在測(cè)線(xiàn)的跨斷層地段上，都很明顯地表現(xiàn)出高值異常［1］;1993年，王基華等［5］在北京昌平白浮斷層氣觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了CO2、Hg、O2的觀測(cè)，研究了這些氣體的動(dòng)態(tài)特征與地溫的關(guān)系;林元武等［6］研究了斷層氣CO2快速測(cè)定方法，分析了7年懷來(lái)郝窯斷層氣CO2觀測(cè)點(diǎn)測(cè)得的9個(gè)4級(jí)以上地震的CO2前兆異常特征，在張北地震前47天，斷層氣CO2出現(xiàn)突升異常，異常峰值是背景值的10倍左右，據(jù)此在震前提出了較好的短臨預(yù)報(bào)意見(jiàn)，充分表明斷層氣在地震短期預(yù)測(cè)中能夠發(fā)揮重要作用［7-9］。

一直以來(lái)，主要利用快速測(cè)定管和氣相色譜儀進(jìn)行斷層氣體測(cè)試分析;二氧化碳?xì)怏w快速測(cè)定管是一次性使用的，每天更換一次，人工讀取測(cè)量值，只能測(cè)量累積量，不能實(shí)時(shí)測(cè)量被測(cè)井孔的氣體百分比濃度。受測(cè)量方法限制，難以精確測(cè)量井下氣體濃度梯度;氣相色譜儀屬于精密的實(shí)驗(yàn)室儀器，需要用采集裝置獲取氣樣，再放到儀器上進(jìn)行分析測(cè)試。很難實(shí)時(shí)測(cè)量井下氣體濃度分布。因此研制靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、簡(jiǎn)便易行、適合地震前兆氣體組分測(cè)量的儀器就顯得十分重要。

2 新型紅外氣體觀測(cè)儀

實(shí)驗(yàn)表明紅外氣體傳感技術(shù)在斷層氣測(cè)量方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，非常適合用于斷層氣體觀測(cè)和氣體前兆監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

雖然紅外氣體傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，但地震前兆觀測(cè)需要積累長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)，這要求觀測(cè)設(shè)備可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定、連續(xù)地提供數(shù)據(jù)。進(jìn)行斷層氣監(jiān)測(cè)時(shí)，需要解決紅外傳感器的抗干擾性、零點(diǎn)漂移、集氣方法、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定、以及監(jiān)測(cè)群體異常問(wèn)題。

為此，根據(jù)前兆氣體組分測(cè)量的要求，我們研制了新型數(shù)字化紅外氣體觀測(cè)儀器。儀器由集氣系統(tǒng)、電子學(xué)模塊、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和主機(jī)組成(圖1)。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the instrument

2.1 集氣系統(tǒng)

集氣裝置由微型真空泵、集氣/標(biāo)定罩、和氣體管路組成，從進(jìn)氣端到出氣端的氣路是氣密的，在采集氣樣時(shí)開(kāi)啟采樣泵，送到傳感器的氣流具有穩(wěn)定的流量，流量控制在200～600 mL/分鐘。此種集氣方式屬于主動(dòng)集氣方式。在條件允許的情況下，盡量采用主動(dòng)方式采集氣樣。擴(kuò)散方式將傳感器置于被測(cè)氣體的擴(kuò)散通道中。采用擴(kuò)散集氣方法時(shí)需要監(jiān)測(cè)擴(kuò)散通道中的氣體流量變化，既要防止流量過(guò)低影響響應(yīng)時(shí)間，造成讀數(shù)錯(cuò)誤，又要防止大流量對(duì)傳感器的沖擊，造成測(cè)量偏差。

2.2 光學(xué)和電子學(xué)模塊

紅外氣體傳感器的光學(xué)部分用一個(gè)鎢絲燈作為寬帶紅外光源，發(fā)出的紅外光通過(guò)兩條光路照射在兩個(gè)鉭酸鋰熱電探測(cè)器上。一個(gè)稱(chēng)為“活動(dòng)(ACT)”端探測(cè)器，另一個(gè)稱(chēng)為“參考端(REF)”探測(cè)器。氣體的吸收強(qiáng)度與該氣體的濃度有關(guān)，“活動(dòng)”端探測(cè)器的濾波器對(duì)特定氣體具有顯著的吸收帶，由于使用了不同的濾波器“參考端”探測(cè)器對(duì)特定氣體不敏感。在兩個(gè)鉭酸鋰熱電探測(cè)器表面上熱量的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。當(dāng)光輻射通過(guò)特定氣體時(shí)，從活動(dòng)端輸出的電壓峰峰值幅度比從參考端輸出的大。通過(guò)測(cè)量探測(cè)器輸出電壓信號(hào)峰峰值的比，就可以知道周?chē)繕?biāo)氣體濃度的變化，稱(chēng)為比值測(cè)量原理。在熱電探測(cè)器前安裝不同波長(zhǎng)的濾波器對(duì)相應(yīng)氣體的濃度進(jìn)行測(cè)量。

傳感器的電子線(xiàn)路部分由帶通放大電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、小型半導(dǎo)體溫度傳感器、低功耗單片機(jī)組成。在單片機(jī)控制下分別測(cè)量CO2和CH4兩種氣體濃度，每120 s輸出一次測(cè)量值。單片機(jī)還同時(shí)采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，通過(guò)運(yùn)行在單片機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集、溫度補(bǔ)償、數(shù)據(jù)預(yù)處理和通信軟件的運(yùn)行，輸出的測(cè)值是實(shí)時(shí)的體積比濃度數(shù)字量值。

2.3 減小零點(diǎn)漂移的方法

地震前兆觀測(cè)需要積累長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)，這要求觀測(cè)設(shè)備可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定、連續(xù)地提供數(shù)據(jù)。針對(duì)影響傳感器穩(wěn)定性的因素，在傳感器的軟硬件設(shè)計(jì)中需解決零點(diǎn)漂移問(wèn)題。

實(shí)測(cè)表明“活動(dòng)”端和“參考端”探測(cè)器輸出的電壓波形相位角有同步抖動(dòng)性現(xiàn)象，抖動(dòng)和隨機(jī)干擾導(dǎo)致零點(diǎn)漂移，也就是當(dāng)被檢測(cè)氣體中未含有目標(biāo)氣體時(shí)，顯示值不為零值。為此在電路設(shè)計(jì)中選用了轉(zhuǎn)換時(shí)間短的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，使對(duì)“活動(dòng)”端和“參考端”的電壓采樣盡量相同，減小了抖動(dòng)的影響，此外加入數(shù)字濾波去除了隨機(jī)干擾產(chǎn)生的漂移。

2.4 干擾及抗干擾措施

紅外傳感器需要安裝在測(cè)井內(nèi)，由井上通過(guò)電纜提供供電電源，并將熱電探測(cè)器的輸出信號(hào)傳輸?shù)骄稀挠^測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)波形我們發(fā)現(xiàn)，傳感器輸出的信號(hào)中除4 Hz外，還有高頻頻率分量，這是由于加載到燈絲上的電壓是4 Hz、占空比50%的方波。通過(guò)燈絲熱惰性的作用，在熱電探測(cè)器上形成波浪波(ripple)。紅外輻射通過(guò)光路，照射在鉭酸鋰晶體上，由于熱梯度的變化，產(chǎn)生電壓輸出。所以這些頻率分量中大部分是4Hz基波的諧波，另一些是諧波和外界干擾產(chǎn)生的。

為此，將紅外氣體觀測(cè)儀分為傳感器和主機(jī)兩部分，工作時(shí)，主機(jī)啟動(dòng)測(cè)量指令，傳感器通過(guò)總線(xiàn)電纜向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，在電纜上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因此具有可靠、抗干擾性好的特點(diǎn)，解決了斷層氣監(jiān)測(cè)時(shí)的抗干擾性問(wèn)題。主機(jī)也可以由計(jì)算機(jī)代替，編制的測(cè)控軟件可以在通用的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

傳感器具有現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定功能，將傳感器與計(jì)算機(jī)連接，在標(biāo)定軟件的支持下即可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。只需標(biāo)定零點(diǎn)和滿(mǎn)量程點(diǎn)，很適合在野外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。

2.5 主要技術(shù)指標(biāo)及與傳統(tǒng)觀測(cè)裝置的對(duì)比

RS-1型紅外氣體觀測(cè)儀是針對(duì)斷層氣體測(cè)量領(lǐng)域研制的新型數(shù)字式紅外二氧化碳和甲烷氣體觀測(cè)儀器。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1)量程

二氧化碳(CO2)：0～2% 體積比濃度和0～5%體積比濃度量程之間自動(dòng)切換;甲烷(CH4)：0～5%體積比濃度和0～10%體積比濃度量程之間自動(dòng)切換;

2)分辨力：量程的2%;

3)工作溫度范圍：-10℃～+50℃;

4)工作模式

監(jiān)測(cè)模式下采樣率：每小時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)泵1次，工作5分鐘，處理電路2秒采集1次數(shù)據(jù);觀測(cè)模式下采樣率：泵連續(xù)工作，處理電路2秒采集1次數(shù)據(jù);

5)供電

通信電纜3 m時(shí)：5 V，2 W;通信電纜60 m時(shí)：12 V，0.4 A;

6)主機(jī)：專(zhuān)用主機(jī)或通用微型計(jì)算機(jī)，專(zhuān)用主機(jī)功耗5 W;

7)標(biāo)定：通過(guò)運(yùn)行在微型計(jì)算機(jī)的標(biāo)定軟件支持下可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定;

8)體積：直徑70 mm，長(zhǎng)600 mm;

9)重量：小于2 kg。

紅外斷層氣體傳感器相對(duì)于目前普遍使用的二氧化碳測(cè)量管、氣相色譜儀，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

1)抗干擾性好，可以在富含水蒸氣的環(huán)境中工作;

2)壽命長(zhǎng)(高達(dá)5年);

3)數(shù)字傳感器具有在線(xiàn)測(cè)量能力，可以實(shí)時(shí)測(cè)量井下氣體的濃度梯度;

4)體積較小、功耗低、工作溫度范圍寬，適于流動(dòng)觀測(cè);

5)檢測(cè)能力強(qiáng)，解決了二氧化碳測(cè)量管只能測(cè)量累積量的缺陷，其最小檢出濃度在百萬(wàn)分之幾百，雖然不如氣相色譜儀，但其量程和分辨力指標(biāo)適用于斷層氣體檢測(cè)(表1)。

表1 觀測(cè)裝置對(duì)比Tab.1 Comparison among some equipments

3 井孔氣體濃度探測(cè)

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所昌平地震臺(tái)西6#孔井深117.75 m，水位46.7 m，井口至17 m處為鐵管，以下為巖壁。采用主動(dòng)集氣方式。數(shù)字式紅外氣體傳感器內(nèi)部安裝有集氣系統(tǒng)，在主機(jī)應(yīng)用軟件的控制下用主動(dòng)集氣裝置采集氣樣。在監(jiān)測(cè)方式下，每小時(shí)開(kāi)啟一次采樣泵，時(shí)間為5分鐘，此種方式適合長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。在觀測(cè)方式下，采樣泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，觀測(cè)方式適用于活動(dòng)斷層探測(cè)和井下氣體濃度梯度測(cè)量分析。用鋼絲繩將傳感器吊放在井下，傳感器進(jìn)氣端作為傳感器零點(diǎn)，傳感器末端連接四芯屏蔽電纜，與井上主機(jī)連接。將傳感器放入井中的過(guò)程會(huì)對(duì)井中的氣體產(chǎn)生擾動(dòng)，尤其是對(duì)氣體濃度梯度大的井，這種擾動(dòng)更加明顯，需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)等待氣體濃度趨于穩(wěn)定。此外，傳感器體積越小，移動(dòng)時(shí)對(duì)井下氣體的擾動(dòng)越小，可以有效地縮短測(cè)量時(shí)間。

圖2是西6#孔井深度與氣體百分比體積濃度曲線(xiàn)(測(cè)試時(shí)間2010年5月14日)。

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

1)CO2氣體濃度隨深度增大，此井孔未檢出CH4氣體;

圖2 深度-%vol曲線(xiàn)Fig.2 Curve of depth-%volume

2)CO2氣體濃度曲線(xiàn)可以分為4段：

第一段：0～4 m，氣體濃度隨井深急劇上升，由于井口是敞開(kāi)式，在這一段測(cè)量受大氣環(huán)境影響較顯著。

第二段：4～12 m，氣體濃度基本不變，考慮到這一段井壁被鐵管封閉，所以氣體濃度分布均勻。

第三段：12～36 m，氣體濃度由緩慢增大到急劇增高再趨于平緩，可見(jiàn)二氧化碳?xì)怏w主要是由這一段中的巖壁裂隙中逸出的。氣體濃度梯度大。

第四段：36～42 m，氣體濃度基本維持不變，由于二氧化碳略重于空氣，氣體在這一段沉積，目前傳感器固定于36 m進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。

傳感器吊放于距井口36 m處進(jìn)行了60天的連續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)二氧化碳濃度逐漸由1.31%vol上升到1.75%vol。通過(guò)再次用標(biāo)準(zhǔn)氣測(cè)試，排除了儀器自身漂移的可能。表明36 m處二氧化碳?xì)怏w濃度在逐步增高。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)斷層氣體測(cè)量的技術(shù)瓶頸，引入紅外氣體傳感技術(shù)，實(shí)驗(yàn)證明了二氧化碳和甲烷紅外氣體傳感技術(shù)在斷層氣測(cè)量方面的可行性。

通過(guò)發(fā)揮紅外氣體傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，克服其不足之處，研制了新型數(shù)字化紅外氣體觀測(cè)儀器，并將其用于井孔氣體濃度測(cè)量領(lǐng)域。實(shí)踐證明，應(yīng)用紅外氣體傳感技術(shù)克服了觀測(cè)方法的局限性，探索出新的斷層氣體觀測(cè)思路和方法，進(jìn)而可望在活動(dòng)斷層探測(cè)和利用斷層氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地震短期預(yù)測(cè)等方面發(fā)揮作用。

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APPLICATION OF INFRARED SENSOR IN MEASURING GAS FROM FAULT ZONES

Zhu Xu，Wang Ziying and Zhang Yu
(Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085)

The advantages of infrared sensing technology in measuring gas from fault zones，the structure of the instrument，the technical performance，and the ways for overcoming its disadvantages are discussed.Through analyzing the observations with infrared gas instrument at experiment station，a new infrared instrument for measuring gas from fault zones is explored.

infrared sensor;gas from fault zones;Carbon Dioxide;Methane;earthquake precursor

1671-5942(2011)05-0156-04

2011-04-24

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)資金(ZDJ2009-15)

朱旭，男，1971年生，工程師，主要研究方向?yàn)榈卣鹎罢子^測(cè)技術(shù).E-mail：zhuxu1000@sohu.com

P315.61

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